地板蓋板模具冷卻系統(tǒng)流動均勻性研究

陳磊，黃陽

（1.十堰市生產(chǎn)力促進(jìn)中心創(chuàng)業(yè)服務(wù)科，湖北十堰 442000；2.十堰市銘港建設(shè)工程有限公司，湖北十堰 442000）

0 引言

當(dāng)下，汽車車身面臨著高強度、高安全性能的要求，高強度鋼板熱成形技術(shù)越發(fā)受到工業(yè)界關(guān)注[1－2]。熱成形工藝主要使鋼板在900-950℃高溫下加熱保溫一定時間，使組織形態(tài)完全轉(zhuǎn)變成為奧氏體組織，然后利用急冷條件使奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，從而改變材料的力學(xué)性能，使成形件強度高達(dá)1500MPa 以上[3]。鋼板在快速冷卻下需要帶走大量熱量，要求模具冷卻系統(tǒng)組織轉(zhuǎn)變階段帶走鋼板熱量的90%，水流在模具冷卻系統(tǒng)中流過，因此如何高效充分冷卻鋼板是模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵[4]。A.Turetta 等[5]為了得到最佳奧氏體化加熱溫度和保溫時間，以1.5mm 厚鋼板為試驗材料，結(jié)果表明避免出現(xiàn)貝氏體的最低冷卻速率為30℃/s，馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度為382℃。H.Hoffmann 等[6]以冷卻水道直徑和冷卻水道數(shù)量為參數(shù)，以冷卻的均勻性和降溫速率為評判標(biāo)準(zhǔn)，通過改變設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)對熱成形模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化。李小平等[7]研究利用ABAQUAS 軟件模擬當(dāng)改變水槽尺寸、入水口位置時，對各冷卻管道內(nèi)水流速度的影響規(guī)律。賀斌等[8]基于FEM-CFD 耦合優(yōu)化方法對熱沖壓模具冷卻水道相關(guān)影響參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：對流換熱系數(shù)hc 和水道與模面距離H 能影響模具溫度分布。陳磊等[9]對模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析得出管道直徑D 對保壓結(jié)束后板料溫差T 的影響最顯著，管道間距S對凸模溫差θ 的影響最顯著，管道直徑D對凹模溫差μ 的影響最顯著。本文采用ANSYS FLUENT 軟件建立了流體分析模型，著重研究底板模具冷卻系統(tǒng)進(jìn)水口管長度對分管水流的影響規(guī)律，為模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 建立模型

建立有效的模具冷卻系統(tǒng)模型對于零件的生產(chǎn)制造及各種性能預(yù)測有很大作用。管路設(shè)計情況會對冷卻水流在管道內(nèi)的流動產(chǎn)生較大影響[10]。

地板蓋板模具簡單示意圖，如圖1 所示。本次模具是一模四腔的熱成形模具，取其中單腔模具冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。圖2為凸模冷卻系統(tǒng)，分為水流進(jìn)口、水流出口、矩形冷卻水道、進(jìn)口水槽和出口水槽，圖中標(biāo)示的黑色箭頭方向為冷卻水流動方向，冷卻水流從進(jìn)口水道流入冷卻系統(tǒng)，經(jīng)進(jìn)口矩形導(dǎo)流槽分流到各個冷卻管道后，由另一端出口導(dǎo)流槽匯流，從出口水道流出，形成一個冷卻回路，從而實現(xiàn)對板料的冷卻。凸、凹模冷卻系統(tǒng)的水流流動方向相反，上下模具形成回流增加，增強冷卻水流在模具內(nèi)對高溫板料的冷卻效率。

圖1 地板蓋板模具簡單示意圖

圖2 凸模冷卻系統(tǒng)尺寸圖

圖2所示，此次模具管道為矩形截面，S為導(dǎo)流槽入水口距冷卻管道的距離，L 為入水管道的長度，D 為導(dǎo)流槽入水口直徑。冷卻矩形管道寬度為10mm，冷卻矩形管道長度為310mm，管道的間距為10mm。根據(jù)流體力學(xué)原理，管道截面積變小，液體通過管道的速度將增加；反之，如果管道截面積變大，液體通過管道的速度將減小，因此，流速和流管截面積之間存在反比例關(guān)系。

2 基本傳熱和流動參數(shù)計算

該零件的質(zhì)量為：

因高溫板料在空氣停留時間短，散熱很少。忽略高溫板料因?qū)α?、熱輻射所散失的熱量，假設(shè)高溫板料散發(fā)熱量的90%完全被模具吸收由冷卻水流帶走，簡化計算過程，板料初始溫度:900℃；板料成形后溫度：80℃；冷卻水進(jìn)口溫度：20℃；冷卻水出口溫度：30℃。

板料所散發(fā)的總熱量[11]：

式中：m 為板料質(zhì)量；Cp為板料的比熱容；t1為板料初始溫度；t2為板料最終溫度。

為使成形板料能夠充分馬氏體化，板料初始成形溫度要高于800℃，成形結(jié)束后溫度低于180 ℃。根據(jù)能量守恒定律，板料傳遞給模具的熱量為Q1。

故散熱量Q1=0.9Q=866108.30J

冷卻水帶走的熱量為:

q1為冷卻水流量；ρ 為水的密度；C1為水的比熱容；t3為冷卻水出口溫度；t4為冷卻水進(jìn)口溫度。

由假設(shè)條件可知，Q=Q1，故冷卻所需水流量為[12]：

計算可得模具管道進(jìn)口出水流速度不低于5.17m/s。

3 建立邊界條件

應(yīng)用Ansys icem 的Tet/Mixed 四/六面體混合方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將得到的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent 中，網(wǎng)格劃分如圖3。使用三維不可壓縮k-ε 湍流模型進(jìn)行迭代計算，采用Fluent5/6 三維CFD 求解器，利用SIMPLE 算法，流體模型材質(zhì)選為water-liquid，進(jìn)水口設(shè)為速度進(jìn)口（velociytiulent），且進(jìn)口流速設(shè)為5.17m/s，水力直徑設(shè)為16mm，出水口為自由出流（outflow），其他部分為Wall 壁面邊界條件。

圖3 網(wǎng)格劃分

4 仿真模擬及結(jié)果分析

從圖2 可以看出，進(jìn)、出水口在同一側(cè)，每個分管道的流程長短不一致，可能導(dǎo)致流程短阻力小的分管道冷卻效果好，進(jìn)、出水口的分管道流程長而冷卻效果差。為得到均勻流速分布，應(yīng)根據(jù)實際模具的結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)水口的位置，本次采用進(jìn)水口管道增加的方法，將進(jìn)水口前移。冷卻水流由進(jìn)水口管道流入，先到達(dá)進(jìn)口水槽，由進(jìn)口矩形集水槽分流到各管道，再匯流到出口集水槽，經(jīng)出水口管道流出。建立進(jìn)水口管道長度分別為0、115.45、135.45、175.45、195.45mm，基于此分析各分管道水流流動的情況。

矩形導(dǎo)流槽尺寸為355×305×20mm，進(jìn)水口水流速度5.17m/s，進(jìn)水口管道直徑為16mm。如圖4 所示分析不同進(jìn)水口管道長度對各個分管道的流動影響，模擬得到凸模管道流速，如圖4（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）所示。

圖4 不同進(jìn)水口長度凸模管道流速圖

進(jìn)水方向沿導(dǎo)流槽長度方向，由于進(jìn)水口管道端部和進(jìn)水口之間存在壓力差，從進(jìn)水口流入導(dǎo)流槽中的冷卻水流有流向各分管道的流動趨向，進(jìn)水口處的冷卻水流會在慣性作用下沿導(dǎo)流槽長度方向流動一段距離，在壓力差的作用下沖擊導(dǎo)流槽壁面和各分管道[13]。模擬結(jié)果取凸模導(dǎo)流槽中心截面，得到不同進(jìn)水口管道長度各分管道水流速度云圖。

表1為不同管長時，各分管道水流流速，圖4a 為模具進(jìn)水口管道長度不變時，各分管道水流流動情況，取管道中心截面處水流流速分別為2.08、2.08、2.14、2.14、2.14、2.01、2.08、1.58、1.48、1.47m/s，結(jié)果表明各分管道流速相差并不是很大；如圖4b，當(dāng)進(jìn)口管道長度為50mm 時，進(jìn)水口管道覆蓋過的冷卻管道逐漸增多，3、4、5 號管道在水流流入時受到的沖擊最大，水流流速基本一致，水流越向外，對分管道的沖擊逐漸減小，流速也依次降低，各冷卻管道的流速為：0.90、0.90、1.23、1.25、1.21、0.90、0.30、0.30、0.30、0.30m/s；圖4c 水流速度在5.17m/s 時，水流的沖擊作用能夠覆蓋到的區(qū)域越來越小，只能覆蓋1、2、3、4、5 號管道。圖4d、4e隨著管道長度的增加，進(jìn)水口管道所能流到管道的流速增加，但是未能流到的管道區(qū)域也增加；圖4f、4g 隨著進(jìn)水口管道長度的增加對導(dǎo)流槽壁面的沖擊越來越強，導(dǎo)致冷卻水流速度矢量發(fā)生急劇改變，形成強烈的局部旋渦。水流沿著相反方向流動，這樣反而伴隨著冷卻水流能量的損失。在水流改變方向后，未能保持原有能量返回，回流后的流動距離反而減小，致使管長195.45mm 的8、9、10 號管流速增加。

表1 管徑16mm，進(jìn)口流速5.17m/s 時各冷卻管道流速

對不同進(jìn)水口管道長度進(jìn)行方差計算，進(jìn)水口管道長度為0、115.45、135.45、175.45、195.45mm 時各分管道水流流速方差分別為0.082、0.174、0.091、0.510、0.586、0.267、0.347。通過管內(nèi)各流速分布小和方差分析，在進(jìn)水口管道長度不加長的情況下各分管道水流流動情況最好，滿足模具冷卻系統(tǒng)流速均勻且流速最快。

5 地板蓋板成形件微觀組織及力學(xué)性能試驗驗證

5.1 地板蓋板成形試驗

實驗平板件的尺寸為363×228×4mm，工藝流程如圖5。把平板件放到加熱溫度為900℃的熱處理爐，保溫6min 使之完全奧氏體化，然后轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具上，進(jìn)行沖壓成形。該模具進(jìn)水口管長伸長為0mm，進(jìn)水口流速為5.17m/s，試驗后對成形零件進(jìn)行微觀組織分析和性能檢測。

圖5 地板蓋板熱沖壓成形流程

5.2 地板蓋板成形件力學(xué)性能檢測

試驗后，對地板蓋板零件進(jìn)行性能檢測，試樣取6 個點位置，如圖6 所示。此次試驗檢測材料的硬度、抗拉強度和延伸率。

圖6 地板蓋板試樣取樣

從表2 可以看出，在同樣的成形條件下，對比①號位置和③號位置，成形后③號位置的平均硬度值為51.0HRC，①號位置平均硬度值為48.3HRC。?、佗厶栁恢锰帉Ρ扔^察金相組織，發(fā)現(xiàn)①號位置組織為回火屈氏體+板條馬氏體，③號位置為板條馬氏體，這是由于①號位置在300-350℃時降溫速率過快，馬氏體在低于珠光體形成溫度時，便分解為鐵素體和細(xì)粒狀滲碳體。觀察③號位置金相組織，板條狀馬氏體含量低且組織分布并不均勻。

表2 地板蓋板各位置布氏硬度值

對比②④⑤號位置，成形后鋼板平均硬度值為51.4HRC、51.2HRC、50.9HRC，②號位置和⑤號位置在零件兩側(cè)水流速度基本一致，所以硬度值基本相同。④號位置平均硬度值為51.2HRC，④⑤號位置從微觀組織大致看出板條馬氏體少于②號位置，也可驗證④⑤號位置抗拉強度低于②號位置，而硬度略高于④⑤號位置，延伸率小于④⑤號位置。

⑥號位置在零件的中心，平均硬度值為51.2HRC。由于凹模下行⑥號位置最后與凸、凹模接觸，此時鋼板初始溫度降低，冷卻速度發(fā)生變化，馬氏體形核速率慢，致使底部位置的板條馬氏體含量低，導(dǎo)致殘余奧氏體含量增加，⑥號位置處的馬氏體板條平均寬度與數(shù)量小于其他位置處的馬氏體含量。

通過金相顯微鏡能夠直觀看到成形件內(nèi)部各組織的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布特征，如圖7 所示，此次①②③④⑤⑥處位置使用放大400 倍的顯微鏡觀察金相組織。

圖7 各位置金相組織

圖8顯示，成型件抗拉強度基本與延伸率相反，強度越高鋼板延伸率越低。①號位置處抗拉強度明顯小于②號位置處抗拉強度值，③、④、⑤處的強度基本一致，而⑥號位置處抗拉強度值高于其它各處。由上述數(shù)值模擬可知，水流在靠近模具側(cè)壁處流速比較小，導(dǎo)致降溫速率低于其它位置，并沒有完全馬氏體化，從①④⑤號微觀組織圖看出，①號為回火屈氏體+片狀馬氏體，④號為片狀馬氏體，⑤號為回火屈氏體+片狀馬氏體。②③⑥號位置水道流速基本能夠保持一致，使板料降溫速率保持一致，達(dá)到降溫均勻性，這三個試樣微觀組織均獲得了較大比例的板條馬氏體組織，或基本達(dá)到馬氏體化，因而得到抗拉強度變化不大。

圖8 各位置鋼板力學(xué)性能

6 結(jié)論

（1）利用FLUENT 軟件模擬了具有矩形截面冷卻管道的地板蓋板熱成形模具冷卻系統(tǒng)的流場分析，通過改變地板蓋板凸模進(jìn)水口位置，根據(jù)模擬結(jié)果，得出進(jìn)水口不進(jìn)行增加時，各分管道到出水口的流程雖然不一致，但各分管道水流速度仍然分布是最均勻的，方差為0.082。

（2）根據(jù)流體力學(xué)管道進(jìn)口流量確定、流量一定的情況下，管道內(nèi)截面越大，會導(dǎo)致流速越小，基于工件模型，所設(shè)計矩形截面為最大截面，若改變管道截面形態(tài)，會增加管道內(nèi)水流流速，提升傳熱效果。

（3）在熱成型試驗中，對4mm 厚鋼板成型，進(jìn)口管道不增加，試驗后對工件進(jìn)行力學(xué)性能及金相分析，各位置金屬力學(xué)性能均滿足要求，強度可達(dá)1600MPa 以上，硬度可達(dá)46-52HRC，金相組織主要是回火屈氏體+片狀馬氏體。